Матрица камеры смартфона что это

Мегапиксели не решают: какие характеристики камеры смартфона не менее важны

Разбираемся в том, на какие характеристики камеры смартфона стоит обращать внимание, чтобы не прогадать с покупкой.

При выборе смартфона с хорошей камерой большинство пользователей обращает внимание лишь на ее разрешение, обходя стороной множество других важных характеристик. А, между тем, число мегапикселей — это совсем не тот параметр, который сильно влияет на качество фотографии.

Все дело в том, что разрешение всех камер современных смартфонов, включая и бюджетные модели, уже давно перевалило тот рубеж, за которым можно получить качественные фотографии. И в сегодняшней статье мы расскажем о других ключевых характеристиках камеры, которые часто незаслуженно игнорируются пользователями. Надеемся, что это поможет вам выбрать тот смартфон, в котором вы точно не разочаруетесь.

Характеристики матрицы

Каждая камера смартфона включает в себя матрицу. Именно она улавливает свет, который затем и преобразуется в итоговую фотографию. Ну а ключевой характеристикой матрицы считается ее размер. Он выражается в диагонали и имеет вид дроби 1/х. Причем, чем меньше значение «х», тем больше размер матрицы. Иными словами, 1/1,7 дюймовая матрица больше 1/2,8 дюймовой.

Смартфон изнутри: Камера. Часть 1 — матрица, объектив

Сегодня мы будем разбираться в устройстве камеры. И не какой-нибудь особой, а самой популярной – камере смартфона. У каждого производителя можно встретить сухие описания их характеристик – 13 мегапикселей, f/1.8 относительное отверстие, оптика Leica или Zeiss, оптический зум. А что все это нам дает? Как сравнить камеры между собой? Какую выбрать?

Чтобы дать понятный ответ на эти вопросы, необходимо вкратце разобраться как устроены камеры в смартфонах – и сегодня мы будем изучать камеру изнутри.

Содержание:

• Схожесть с обычными фотоаппаратами
• Объектив
• Много линз – это хорошо
• Количество – еще не главное
• Что такоеf/1.8
• Как это все работает в комплексе

Схожесть с обычными фотоаппаратами

Камера смартфона, по своей сути, практически ничем не отличается от устройства обычного фотоаппарата будь то «мыльница» или беззеркальная камера. В ней есть блок линз – объектив, матрица, и сопутствующая электроника. Качество каждого элемента играет ключевое значение, потому как, в отличие от привычных фотоаппаратов, камера смартфона меньше ногтя по своим размерам.

Произнося фразу «13 мегапикселей» мы, чаще всего, не задумываемся, что это означает 13 миллионов пикселей, то есть точек, которые находятся на матрице и, которые она способна улавливать. А совсем недавно стали доступны модели смартфонов, камеры которых вмещают 48 миллионов точек! Только представьте! Для сравнения – этот фотоаппарат, тоже имеет практически аналогичное разрешение матрицы, но его цена существенно отличается, и это стоимость без объектива. Почему так?

Все сводится к технологиям, физике, возможностям используемой электроники. Сам физический размер матрицы очень важен и, когда он размером почти со спичечный коробок (как в зеркальной фотокамере), то света улавливает он значительно больше и каждый пиксель способен передавать более точную информацию. Матрица смартфона же, даже на 13 Мп, имеет значительно более компактную матрицу, в десятки раз меньше, и, соответственно, чтобы сделать один и тот же кадр на телефон и фотоаппарат, смартфону требуется больше времени и вычислительной мощности, чтобы воссоздать аналогичное изображение. В дневное время – это почти не проблема, а вот вечером – появляется «шум».

Производители камер для смартфонов используют все передовые технологии, чтобы сделать процесс съемки проще и удобней для пользователей, но по вышеупомянутым причинам сравниться с зеркальными камерами смартфоны могут разве что в дневное время. Ночью же смартфоны стали использовать новые приемы, вроде искусственного интеллекта с нейронными сетями, чтобы уменьшить количество паразитных шумов на фотографиях.

Стоит учитывать, что «гонка мегапикселей», которая вновь началась у производителей телефонов, может негативно сказываться на качестве, поэтому не всегда стоит гнаться за такими заоблачными характеристиками. На практике, даже 12-13 мегапикселей вполне достаточно для получения красивого и детализированного кадра. Исключениями являются условия съемки – если вы планируете снимать в дневное время, то многие смартфоны с большим разрешением матрицы также справятся с задачей очень хорошо.

Дальновидные производители смартфонов уже давно уделяют внимание не только мегапикселям, а и размерам матрицы, чтобы ее физический размер становился больше, по мере роста разрешающей способности. Однако, матрица, это еще не все, что влияет на качество фотографии.

Объектив

Второй ключевой составляющей хорошей камеры является ее объектив. Покупая фотоаппарат со съемными объективами, фотограф задумывается над качеством оптики, которую он будет устанавливать. Владельцам же смартфонов, увы, такой выбор не предоставляют, хотя, может это и к лучшему – ведь стоимость хорошей оптики может быть аналогична стоимости камеры, а <a href=»https://comfy.ua/ob-ektiv-k-fotokamere-sony-18-110mm-f-4-0-g-power-zoom-e-mount-selp18110g-syx.html»>иногда даже больше</a>. Было бы обидно, если бы покупатели брали хороший смартфон и покупали объектив, как говорится, «на сдачу», как это часто происходит с зеркальными камерами. Однако, можете быть уверены – все именитые бренды уделяют должное внимание разработке качественной оптики для своих камерофонов.

Много линз – это хорошо

Для того, чтобы объектив проецировал качественное изображение на плоскую матрицу, не вызывая искажений и наиболее правильно передавая все пропорции и цвета, ему необходимо иметь несколько разнообразных линз. Каждая из них выполняет свою роль – она может быть (и должна быть) различной формы, с разной преломляющей способностью, выполнена из разного сорта стекла, а некоторые из линз могут быть еще и подвижными.

В объективах для фотокамер встречаются модели, в составе которых 15 и более видов линз, и у каждой своя уникальная задача. Для смартфонов, в качественных модификациях камер, используется около 6 линз, которых вполне достаточно для создания правильного изображения.

Количество – еще не главное

Однако, и количество линз не является ключевым, при создании лучшего объектива. Все дело в том, что при формировании изображения внутри объектива возникают такие негативные виды искажений как хроматическая и сферическая аберрации, дисторсия, дифракция. Все это термины из раздела «Оптика» в физике и разбираться в каждом из них не имеет смысла – главное понимать, что для их устранения необходимы линзы наивысшего качества и правильно скомпонованные. Именно поэтому, все чаще, производители смартфонов прибегают к помощи мировых лидеров в области производства линз – Zeiss, Leica и другим.

Что такое f/1.8

Количество света, поступающее на матрицу, регулируется специальным механизмом, называемым диафрагма. Величина относительного отверстия, создаваемого диафрагмой и есть это значение f/X. Чем цифра меньше, тем относительное отверстие больше, и пропускает больше света. Но, очень много света – тоже чревато последствиями, особенно в дневное время. И, если человеческий глаз, умеет очень сильно сужать зрачок в дневное время и открывать его в ночное время, расширяя, то камеры не столь совершенны. Сенсоры (матрицы) не столько чувствительны как глаза, а поэтому в камеры устанавливают наиболее чувствительные к свету модели, что пагубно днем и диафрагму приходится закрывать (до значений f/2.5 или больше).

В целом, если в смартфоне установлена качественная матрица, с хорошей оптикой и относительным отверстием f/1.8 – то это уже может быть вполне хорошая модель, которая покажет отличный результат. Конечно же, здесь также важно, насколько современная матрица, мощный процессор, программное обеспечение смартфона – все это тоже влияет на результат.

Сегодня же можно встретить смартфоны, со значениями диафрагмы в их объективах f/1.5, что очень примечательно. Это означает, что объектив камеры смартфона пропускает очень много света и этого света достаточно в темное время суток, для получения хорошего снимка. Но, его очень много в дневное время и матрица, буквально, не может справиться с таким ярким изображением. Для этого применяется диафрагма, которая прикрывает относительное отверстие до меньшего значения и, тем самым, позволяет сделать качественный кадр, не испортив матрицу.

Последний рубеж и механизм, который определяет количество света, поступающего на сенсор, это затвор. В смартфонах он условно называется механизмом, потому как электронный и чаще всего не имеет механических составляющих. Однако, если помните старые пленочные камеры или те же зеркальные – принцип работы у них схожий. Шторка или несколько шторок полностью закрывают поток света из объектива и открывают его на время, называемое выдержкой. Если это солнечный день – выдержка составляет тысячные доли секунды. Если это ночь – то может достигать половины секунды и даже больше.

Как это все работает в комплексе

А теперь, давайте попробуем воссоздать процесс одного снимка, чтобы было понятно, как это происходит.

Вы, глядя на экран смартфона и выбирая красивый ракурс перед нажатием клавиши, уже можете наблюдать работу вашей оптики, матрицы. Ведь это изображение и есть результат проекции изображения через объектив пучка света, который потом, правильно распределяется на плоской матрице, с минимальными искажениями. Дополнительная нагрузка на смартфон, еще до нажатия клавиши спуска затвора, это просчитать количество света, поступающего в камеру, исходя из этого открыть или закрыть диафрагму, выставить выдержку, чувствительность (ISO).

Затем, нажимая на клавишу спуска, свет проходит через все линзы, через отверстие диафрагмы, преломляется, распределяется по матрице. Матрица, улавливает каждым пикселем определенные цвета видимого спектра и передает эту информацию в процессор, который преобразует ее в изображение. Это самое краткое и, на наш взгляд, понятное описание, которое можно дать процессу съемки на смартфон.

Как мы и упоминали в начале – каждый элемент имеет ключевое значение. Без высококачественного материала оптики, не будет правильного изображения с минимальными искажениями, без грамотной компоновки линз не получится хорошего объектива, который будет способен выполнять поставленные на него задачи. Без качественной матрицы, большой и современной, не получится четко отобразить мельчайшие детали на фотографии. А без производительного процессора не получится быстро собрать эту информацию воедино, одновременно уменьшив количество «шумов» на программном уровне. Каждый компонент имеет значение и важен, потому как замени вы лишь один на более «дешевый», и все остальные не смогут вытянуть картинку только на своих возможностях.

Собственно говоря, для этого и необходимы обзоры смартфонов и качества их камер, которые мы регулярно создаем для вас. Ведь одни и те же значения в 13 Мп и f/1.8 могут иметь совершенно разный результат в реальности. И теперь, вы знаете почему.

В следующем обзоре мы расскажем о других важных функциях камеры, которые необходимы современному смартфону.

Размеры матриц в камере смартфона: какие и где встречаются

О том, что не в мегапикселях счастье, уже знают многие пользователи цифровой фототехники. Данная характеристика говорит лишь о том, какие размеры будет иметь фото при просмотре на дисплее, но не более того. На качество получаемого кадра влияют значение апертуры (светосилы), фокусное расстояние, тип матрицы, наличие/отсутствие оптического зума и стабилизации, вид автофокуса, размеры матрицы. О последнем параметре и пойдет речь в нашем материале.

Матрица камеры смартфона – это заменитель пленки в аналоговых фотоаппаратах. Она представляет собой поверхность, покрытую микроскопическими светочувствительными транзисторами. Каждый из них улавливает часть отраженного от предметов света, пропущенного через объектив, и в зависимости от длины оптической волны регистрирует значение. Каждому оттенку соответствует своя частота и длина излучения, за счет этого достигается «запоминание» цвета. Таким образом матрица камеры передает информацию процессору, которая записывается в файл изображения.

Матрица, наряду с объективом, является главной деталью камеры смартфона. Мегапиксели – это количество транзисторов, размещенных на ее поверхности. То есть, цифра в 13 МП означает, что на матрице находится около 13 миллионов эффективных светочувствительных транзисторов.

На что влияет размер матрицы

Производителям камер для смартфонов (самые известные из них – Sony, LG, Samsung, Philips, OmniVision) приходится искать компромиссы между габаритами и качеством матрицы. Дело в том, что при уменьшении размера пикселя, он начинает улавливать меньше света, становится менее чувствительным. А если оставить размеры пикселя прежними, наращивая их количество, то увеличится сам модуль камеры. В зеркалках это не страшно, а вот в смартфонах, толщиной 5-10 мм, каждый микрометр имеет значение.

В итоге в смартфонах, при увеличении мегапикселей, за счет миниатюризации транзисторов, каждый из них улавливает меньше света. Детализация картинки растет, но четкость изображения не меняется. В таких условиях камера на 8 МП не уступит камере на 16 МП, с таким же размером матрицы, а кое-где и обойдет ее.

Матрица камеры в смартфоне

Ультрапиксели

Ультрапиксели – это маркетинговый термин, введенный компанией HTC при презентации флагмана One M7. Под ним подразумевается матрица, разрешение которой специально уменьшено, с целью увеличения размеров пикселя до уровня полноценных фотоаппаратов. К примеру, упомянутый смартфон имел пиксели с размерами 2 мкм, что почти вдвое больше размеров транзисторов у традиционных матриц (1,1 мкм).

Еще в середине прошлого десятилетия, когда большинство смартфонов имели камеру на 0,3, 1,3 или 2 МП, увеличенные пиксели были обыденным делом. Таковыми обладали флагманы 2006 года Nokia N73 и N95, с пикселями на 5 мкм. Но массовая популяризация камер на 8-13 МП побудила HTC внедрить новый термин, дабы убедить клиентов, что их камера на 4 МП не хуже конкурентов на 8-13 МП.

Потом об ультрапикселях забыли, пока Samsung не выпустили на свет Galaxy S7, с технологией, которую объявили как UltraPixel, где размер пикселя был равен 1.4 мкм. Это позволило матрице захватывать больше света в темноте и делать более четкие снимки за счет увеличения матрицы, в сравнении с Galaxy S6.

Популярные размеры матриц в смартфонах

Размеры матриц цифровых фотокамер исторически принято измерять в дюймах. Но дюймы эти – не простые английские, а «видиконовые». Традиция их применения устоялась в прошлом столетии, когда кинокамеры были аналоговые. Регистрирующая ЭЛМ (электронно-лучевая мишень), именуемая видиконом, имела полезный размер, равный 2/3 от внешнего размера. Поэтому видиконовый дюйм равен 2/3 английского, или 17 мм. Матрица 1/3″ означает, что ее диагональ составляет одну третью от 17 мм, или около 5,66 мм.

Самый маленький размер матрицы в камере смартфона, выпускаемого в современности. При таких габаритах матрица вмещает 8 миллионов транзисторов, стандартного размера 1,12 мкм. Такими камерами оснащаются бюджетные китайские смартфоны. Качество фотосъемки оставляет желать лучшего, зато достигается компактность. Поэтому подобными матрицами спереди оборудуют флагманские модели с передней камерой на 8 МП.

Распространенный размер для камер с разрешением 8 МП, но увеличенным размером пикселя до 1,4 мкм. Такая матрица камеры ранее устанавливалась в Google Nexus 5, Meizu MX3, Moto G 2014. Сейчас подобная используется в бюджетных камерафонах (вроде UMI Rome X). Также она может устанавливаться в роли фронталки во флагманах, вроде ZTE Nubia Z9.

Еще один ходовый размер матрицы, используемой во многих смартфонах. При сохранении стандартного размера пикселя 1,12 мкм, она обеспечивает разрешение 13 МП. Такими матрицами оснащены камеры Xiaomi Redmi Note 2 и 3, Mi 4c, Meizu M2 и M3 (как Mini, так и Note), Samsung Galaxy J5 2016, Samsung Galaxy S4 и многие другие. Отдельно выделяется Xiaomi Redmi Note 3 Pro, оснащенный матрицей такого размера, но с разрешением 16 МП. Уменьшение пикселя до 1 мкм позволило улучшить детализацию при ярком освещении, но сделало смартфоны хуже приспособленными к условиям средней и слабой освещенности.

Также стоит отметить iPhone 5s и 6, у которых размеры матрицы составляют 1/3″, но разрешение – всего 8 МП. За счет увеличенных пикселей эти смартфоны обеспечивают качество фото, не уступающее (а иногда и превосходящее) конкурентам с 13 и 16 МП. Такой же размер матрицы имеет и iPhone 6s, с разрешением 12 МП. Его показатели в этом плане немного превосходят конкурентов на 13 МП, так как габарит пикселя составляет 1,22 мкм (а не 1,12 мкм).

Снимок на камеру iPhone 6S

Наиболее популярный размер матрицы камеры для смартфонов с 16 МП. Такие камеры встречаются у Xiaomi Max, OnePlus 3, Xiaomi Mi5. Эти смартфоны отличаются тем, что размер пикселя составляет 1,12 мкм. Почти 90 % устройств с 16 МП имеют матрицу размера 1/2,8″.

Cнимок на камеру Xiaomi Mi5

Матрица 1/2,6″ – это уже «покушение» на класс реальных (а не маркетинговых) камерафонов. Такой оборудованы LG G4 (16 МП) и ZTE Nubia Z9. Также подобные матрицы встречаются в Samsung Galaxy S6 и S6 Edge, Note 5, Asus ZenFone 3 Ultra и другие флагманские устройства. Подобная камера (на 12 МП) использована в Samsung Galaxy S7, S7 Edge, Note 7, но с размером 1/2,6.

Снимок на смартфон LG G4

Размер матрицы 1/2,4″ — это уже явный признак камерафона. Sony в своих 21-мегапикскльных камерах (как у Xperia Z1, Z2), а также Meizu MX4, MX5, сохраняют приемлемый размер пикселей 1,12 мкм, в угоду разрешению. Также такая матрица встречается в Moto X Force и других смартфонах.

Фото с Sony Xperia Z1 Compact

Это уже «гигант» в мире мобильных камер. Наличие такой матрицы подразумевает, что производитель позаботился о разумном сочетании мегапикселей и размеров матрицы. Она встречается в Sony Xperia Z1 Compact, Xperia Z2 (оба – 21 МП). Такое сочетание позволяет добиться отличной детализации без особого ущерба четкости.

Более крупные матрицы камер

К сожалению, в прошлом остались матрицы, обладающие более крупными размерами. Сейчас они применяются только в фотоаппаратах (зеркальных, беззеркальных и мыльницах). Производители стараются поднять светочувствительность транзисторов матриц, улучшить их, но не всегда это возможно. Так как фокусное расстояние напрямую связано с размерами матрицы – увеличение оной приведет к росту высоты камеры. В век, когда превышать толщину смартфона более 10 мм становится моветоном и грешным делом – увидеть матрицы большего размера нам не суждено.

Камера смартфона для «чайников» №3. Погружаемся в матрицу!

Мы продолжаем погружаться в удивительный мир фотографии и в этой части подробно поговорим не только о матрицах и пикселях, но и о мобильной фотографии в целом.

Моя статья о влагозащите фитнес-браслетов для многих стала откровением, так как противоречила всему тому, о чем писали другие сайты. Эта статья, надеюсь, вызовет похожий эффект.

Проблема с интернетом заключается в том, что при смене технологий, популярные ресурсы не удаляют старый материал (да и с чего бы им это делать?). Затем приходят молодые авторы, читают и пересказывают информацию, которая уже давно не соответствует действительности.

Так было с часами и влагозащитой. В 2010 году многое изменилось, но куда девать все те статьи, что были написаны в течение двух предыдущих десятилетий? То же происходит и с камерами. Каждый человек видит просто феноменальный прорыв в области мобильных камер за последнее десятилетие, но продолжает повторять одну и ту же ерунду о маленьких матрицах и прочих ограничениях камерофонов.

Пришло время разобраться, на что именно влияет размер матрицы и пикселя, что такое шум и от чего он зависит, почему современные смартфоны снимают гораздо лучше, чем первые мобильные камеры и можно ли уменьшать размеры, увеличивая качество.

Чтобы сделать эту статью максимально понятной, я постараюсь избегать сложных терминов, заменяя их более простыми аналогиями. Тем не менее, информации будет очень много, поэтому на легкое чтение рассчитывать не стоит.

Для тех, кто попал сюда впервые

Вначале давайте вкратце вспомним, о чем говорилось ранее. В первой части мы разобрались с тем, каким образом свет переносит изображение в пространстве. Как оказалось, даже через окна в наши дома попадает не «простой свет», а картинка всего того, что происходит за окном. Но так как окна слишком большие, эта картинка получается настолько размытой, что мы не видим никаких четких очертаний.

У камеры смартфона есть такое же окошко — небольшое отверстие в объективе, через которое свет попадает внутрь устройства. Размер этого окошка обозначается в характеристиках смартфона буквами f/1.8 или f/2.4. Первая часть подробно объяснила, как понимать эти значения и на что они влияют.

Во второй части мы проследили за тем, что происходит дальше, когда свет прошел через отверстие объектива. В частности, мы детально рассмотрели, чем отличаются объективы смартфонов, что такое фокусное расстояние, за счет чего происходит приближение картинки и как определить настоящий (оптический) зум.

Вторая часть объяснила еще один важный параметр любой камеры, который в характеристиках указывается в миллиметрах, например, 26 мм или 130 мм.

Если посмотреть на типичные характеристики камеры любого смартфона, то мы увидим, что осталось еще много непонятных букв и цифр:

Основная камера: 108 Мп, 1/1.33″, f/1.8, 26 мм, 0.8 мкм, PDAF

В этой части я расскажу, как понимать характеристики, выделенные жирным шрифтом. Все они относятся к матрице: ее размерам, количеству пикселей и размеру одного пикселя.

Собираем отпечатки света

Для начала нужно понять, каким образом свет, прошедший через объектив и попавший на матрицу камеры, оставляет там свои «следы».

Если кто-то не знает, матрица — это аналог пленки, на которую объектив камеры проецирует изображение. Если бы вместо матрицы мы просто разместили белый фон, на нем бы точно также появилось качественное цветное изображение, но вот сохранить его нам бы не удалось.

Вместо белого фона мы размещаем специальную пластинку, сделанную из песка. Точнее, делается она из кремния, а кремний в соединении с кислородом (диоксид кремния) и есть песок.

Так вот, если специально обработать чистый кремний и подключить к нему небольшое питание, можно добиться от него очень интересного поведения. Когда фотон (мельчайшая частичка света) попадает на такую пластинку, он поглощается кремнием и тут же высвобождает электрон:

Правда, фотон должен обладать достаточной энергией, чтобы выбить электрон из атома кремния, поэтому поглощается далеко не весь свет, а только тот, длина волны которого колеблется в пределах примерно от 400 до 1100 нанометров. И так уж совпало, что видимый нами свет идеально попадает в этот диапазон.

Матрица камеры смартфона состоит из миллионов крохотных пикселей — таких вот необычных кусочков кремния, реагирующих на свет. Помимо светочувствительного кремния, пиксель содержит еще множество других элементов, но для простоты восприятия пока упустим эти детали.

Итак, фотон успешно проник внутрь кремния и, «растворившись» в нём, образовал один электрон. Что же происходит с этим электроном дальше? Он попадает в специальную ловушку и оказывается на дне потенциальной ямы, выбраться самостоятельно из которой очень непросто.

Бывают ситуации, когда фотон подлетает к пикселю, но это не приводит к появлению электрона. Почему? Причины могут быть разными. К примеру, если длина волны этого фотона очень короткая, он будет поглощен еще в самом верхнем слое пикселя, а для очень длинной световой волны кремний и вовсе окажется прозрачным, фотон пролетит его насквозь, даже не заметив.

И здесь мы подходим к первому важному понятию, которое частично объясняет, почему современные смартфоны снимают так хорошо — это квантовая эффективность пикселя. Звучит страшно, но по сути это очень простое явление.

Если к поверхности пикселя подлетают 10 фотонов, но только 3 из них поглощаются кремнием (и, соответственно, высвобождаются 3 электрона), то 7 фотонов просто потерялись. Они оказались бесполезными. Получается, эффективность такого пикселя составила всего 30%, то есть, только 3 из 10 фотонов, попадающих на пиксель, будут высвобождать электроны. А значит, квантовая эффективность равняется 30%.

Исследовательские центры крупных производителей смартфонов постоянно работают над увеличением этого показателя.

Одним из главных «врагов» квантовой эффективности в матрицах являются перегородки между пикселями, которые позволяют избежать перекрестных помех (когда фотоны из одного пикселя попадают на другой). Находя новые (более светоотражающие) материалы для этих перегородок помимо всего прочего значительно улучшают данную характеристику.

Если в «древности» квантовая эффективность не превышала 10%, то в современных мобильных матрицах она легко превышает 85% в зависимости от длины волны света.

Еще каких-то пару лет назад квантовая эффективность пикселей была на 20-30% ниже. Получается, пиксели уменьшаются, а их квантовая эффективность возрастает. То есть, современный маленький пиксель будет более светочувствительным, нежели крупный пиксель старого камерофона.

Но вернемся к нашим электронам на дне ямы. В момент, когда происходит снимок, каждый из миллионов пикселей на матрице начинает ловить фотоны и поглощать их, высвобождая при этом электроны, которые сваливаются в ловушки. Снимок сделан!

Теперь камере нужно просто подсчитать, какое количество электронов оказалось в потенциальной яме каждого пикселя. Чем больше этих электронов, тем ярче будет нарисована соответствующая этому пикселю точка на фотографии. Именно так свет превращается в картинку.

Маленький или большой пиксель — что лучше?

Предположим, у нас есть две матрицы одного физического размера. На первой из них размещено 12 миллионов крупных пикселей (12 Мп), а на второй — в несколько раз больше, но размером они поменьше.

И возникает вопрос — есть ли какая-то разница между этими матрицами? Ведь они обе имеют один и тот же физический размер, а пиксели покрывают всю площадь.

Я сразу хочу отбросить теорию о том, что между пикселями есть пространство и много света просто теряется, так как он не попадает на светочувствительный элемент. Да, пространство между пикселями действительно есть, кроме того, внутри самого пикселя далеко не вся поверхность — это светочувствительный кремний.

Однако над каждым пикселем установлена специальная микролинза, которая собирает весь свет и фокусирует его на кремний:

И если раньше даже между линзами были какие-то зазоры, то сейчас их нет вовсе и расстояние между пикселями не играет никакой роли.

Теперь давайте определимся с терминами. Размер одного пикселя практически всегда указывается в характеристиках любого смартфона. Если вы посмотрите на параметры камеры, которые я приводил вначале, то увидите, что размер пикселя там составляет 0.8 мкм (микрометра). Есть пиксели размером 1 мкм, есть и более крупные, например, 1.4 мкм и даже 1.8 мкм (в Samsung Galaxy S20 или Sony Xperia 1 II).

И здесь любой профессиональный фотограф скажет вам, что размер пикселя важнее их количества. Почему? На это есть две причины.

Размер ловушки

Когда мы делаем снимок, в ловушку попадают электроны. Естественно, потенциальная яма пикселя не резиновая и в зависимости от освещения очень быстро заполняется до отказа. Если снимок всё еще делается, новые электроны будут попадать в яму и сразу же «вываливаться» оттуда в специально отведенное место — эдакий дренаж.

Одной из самых популярных мобильных матриц 2019-2020 гг является Sony IMX586. Она установлена в огромном количестве самых разных моделей от средне-бюджетного до премиального сегмента. В наших обзорах она также встречалась очень часто.

Так вот, размер пикселя этой матрицы составляет 0.8 микрометра, а емкость потенциальной ямы — минимум 4500 электронов. Если в ловушке уже оказалось 5000 электронов, а смартфон еще продолжает делать снимок, принимая новые фотоны света, этот пиксель будет переполнен и уже никакой информации, кроме яркой белой точки, в этом месте на снимке не будет.

В другом популярном сенсоре от Samsung на 64 Мп (используется в Redmi Note 8/9 Pro, Galaxy S20, Galaxy Note20) емкость потенциальной ямы — 6000 электронов.

Для сравнения, емкость потенциальной ямы одного пикселя многих зеркальных камер составляет 25 тысяч электронов, что всего в 4-5 раз больше микроскопических пикселей (0.8 мкм) от Sony и Samsung.

Основная задача таких внушительных «ловушек» — обеспечить широчайший динамический диапазон. То есть, чтобы на снимке не было ни одной белой точки с потерянными деталями. Посмотрите на эти две фотографии с разным динамическим диапазоном:

Слева мы видим, как пиксели, отвечающие за цвет неба в правом углу и плитку на полу, не справились со своей задачей. Их ловушки электронов просто переполнились от огромного количества фотонов, прилетевших с неба и отразившихся от плитки. А вот на снимке справа у пикселей оказались достаточно глубокие ловушки, что позволило рассмотреть детали даже в самых светлых областях.

Но этой проблемы практически не существует сегодня в мире смартфонов. Дело в том, что ее научились компенсировать двумя способами:

• Вычислительная фотография. Смартфон делает серию снимков с разной выдержкой. То есть, во время первого снимка все пиксели собирают фотоны в течение, например, 5 миллисекунд. Этого времени не хватает, чтобы собрать достаточно фотонов с темных мест сцены, но пиксели, на которые попадают фотоны с ярких участков, не успевают переполняться и камера прекрасно видит все детали. Затем делается повторная фотография и пиксели собирают фотоны уже в течение 50 миллисекунд. Этого времени хватит, чтобы собрать фотоны с самых темных мест сцены, при этом произойдет переполнение потенциальных ям в пикселях светлых участков. Затем алгоритмы соединяют две фотографии, чтобы в результате не оказалось ни белых, ни черных точек.
• Объединение (биннинг) пикселей. Благодаря технологиям Tetracell и Quad Bayer мы можем сделать ровно то же, что было описано выше, только при помощи одного снимка. В таких матрицах пиксели собраны в группы по 4 штуки. Когда мы делаем снимок, два из них собирают фотоны, скажем, в течение 5 миллисекунд, а остальные — в течение 50 мс. Результат получается тот же.

Выходит, даже маленькие пиксели по 0.8 мкм идеально справляются с динамическим диапазоном. Но, есть и другая проблема.

Ах эти грязные фотоны! Или откуда шум на снимках?

Оказывается, на снимках откуда-то появляется непонятный шум! Особенно, когда света очень мало, на фотографиях по всей площади можно заметить характерные маленькие точки или отклонения яркости и цвета. Даже если мы сделаем снимок белого листа бумаги при плохом освещении, то получим такой грязный кадр:

Откуда берется эта грязь? И какое отношение к этому шуму имеет размер пикселя?

Этот мусор на матрицу приносят с собой фотоны. И дело совершенно не в том, что существуют нечистоплотные фотоны. Конечно нет. Всё дело в самой природе света.

Представьте, что на улице идет град и вы решили подсчитать, какое количество градин упадет в ведро за одну минуту. Чтобы увеличить точность эксперимента, вы решаете использовать сразу десять ведер. Итак, ведра расставлены — град идет. Проходит одна минута и вы делаете подсчет. Будет ли в каждом ведре одинаковое количество градин? Конечно же, нет! Любой человек ответит на этот вопрос и без каких-либо экспериментов.

Ровно то же происходит и с фотонами! Если какой-то пиксель за одну секунду поймал 100 фотонов, то в следующую секунду их могло легко оказаться 70, а может и 120. Добавьте к этому еще тот факт, что не каждый фотон будет поглощен в кремнии.

В общем, это ровно такое же непредсказуемое явление, как и пример с градом. Но если градины ни на что не влияют, то вот количество фотонов, упавших на пиксель, напрямую влияет на яркость этого пикселя на итоговом снимке.

Если бы у нас была матрица только с одним гигантским пикселем и мы делали снимок белой стены каждую секунду, на такой фотографии не было бы никакого шума, просто цвет стены каждый раз немного бы отличался. Собрали больше фотонов — снимок ярче, меньше фотонов — темнее.

Но у нас-то пикселей миллионы! И здесь происходит интересная вещь. Несмотря на то, что мы делаем снимок белой стены, на один пиксель может попасть 80 фотонов, на пиксель рядом — 120, а еще на другой — 100.

В итоге мы получаем вместо однородного белого цвета какие-то пятна, точки и прочие артефакты. Это и есть фотонный шум, связанный с самой природой света, который невозможно никак ни отследить, ни предугадать.

Конечно, существуют и другие источники шума, но этот — основной.

Помните, вначале я говорил, что мы подаем небольшое питание на кусочек кремния, чтобы он мог ловить фотоны и преобразовывать их в электроны? Так вот, когда ни один фотон не попадает на такой пиксель, слабый ток из-за небольшого нагрева кремния вызывает ровно тот же эффект — генерацию электронов, а матрица собирает их и считает, что это были фотоны. Но для того, чтобы этот шум был хоть как-то заметен, нужны длинные выдержки и мало света. На смартфонах длинные выдержки — большая редкость.

Кроме того, сам процесс считывания электронов может вносить шум.

Так причем здесь размер пикселя?

Дело в том, что чем больше фотонов упадет на один пиксель, тем больше в нем появится электронов. А чем больше электронов, тем больше разница между шумом и реальной картиной. Когда мы говорим о шуме, нужно брать каждый пиксель, а не матрицу в целом.

Это очень просто понять даже интуитивно. Вот смотрите, если на все пиксели в среднем падает 9 фотонов, то мы можем легко посчитать уровень шума для всей матрицы. Согласно распределению Пуассона, шум — это просто квадратный корень из количества попавших на пиксель фотонов.

То есть, если в среднем пиксели ловят по 9 фотонов, значит шум всей матрицы — это квадратный корень из 9 или 3 фотона. На один пиксель упало 9 фотонов, на второй — 6, на третий — 10, на четвертый — 8 и так далее. Но в среднем, их количество отличается на +/- 3 фотона. Эта неравномерность и выльется в шум на снимке. И мы его прекрасно заметим, так как яркость точек на фотографии будет отличаться очень сильно (на 30% в среднем или на +/- 3 фотона на каждые 9 фотонов).

Но что произойдет, если пикселей будет в 4 раза меньше и они будут в 4 раза крупнее? Каждый пиксель будет собирать в среднем уже не по 9, а по 36 фотонов. И шум матрицы составит 6 фотонов (корень из 36).

Теперь разница в яркости между точками будет отличаться не более, чем на 16% (+/-6 фотонов на каждые 36 фотонов). Мы ничего, кроме размера пикселя, не изменили. Но фотография стала в 2 раза чище.

То есть, мы видим закономерность, что с увеличением количества фотонов, шум становится совершенно незначительным (относительно общего числа фотонов). Им можно пренебречь. Для 100 фотонов шум составит 10 фотонов. Если же увеличить количество фотонов в 100 раз, чтобы их было 10 тысяч, то шум возрастет только в 10 раз (корень из 10 тысяч = 100). И сигнал будет еще чище.

Получается, нам важно, чтобы как можно больше фотонов падало на один пиксель. Даже если на матрицу упало 1000 фотонов, лучше, чтобы пикселей было всего 10, тогда на каждый из них попадет в среднем по 100 фотонов. А если пикселей будет 100 (при том же размере матрицы), на каждый из них в среднем попадет по 10 фотонов. В первом случае шум будет едва заметен, так как яркость точек будет отличаться незначительно (+/- 10 фотонов на каждые 100 фотонов), а во втором случае — гораздо сильнее (+/- 3 фотона на каждые 10 фотонов).

Именно по этой причине большие пиксели меньше «шумят», чем маленькие (при одинаковом размере матрицы). У них соотношение сигнала (количества фотонов) к шуму (погрешности) гораздо выше.

И здесь я снова должен сказать «но»…

Производители смартфонов нашли элегантное решение этой проблемы. Все современные матрицы смартфонов с размером пикселя <1 мкм сделаны так, чтобы под одним цветным фильтром размещались 4 отдельных фотодиода (кусочка кремния, реагирующего на свет). А, к примеру, Samsung решила объединить под одним «колпаком» сразу 9 пикселей (в Galaxy Note 20 Ultra и Galaxy S20 Ultra).

С одной стороны мы, конечно, теряем значительную часть информации о цвете (ведь в 108 Мп Nonacell-камере только 12 млн цветных фильтров). Но с другой, мы имеем полноценное представление о яркости каждой из 108 млн точек.

И чтобы увеличить качество сигнала мы можем «склеить» несколько маленьких пикселей в один большой. Это реально снижает количество шума и заметно повышает качество фотографий.

Подробно о том, как работает «склейка» или биннинг пикселей на смартфонах, читайте в нашем новом материале: Биннинг пикселей «для чайников»

Размер матрицы камеры смартфона (не) имеет значения!

До этого момента у вас должно было сложиться впечатление, что размер матрицы не играет никакой роли, так как главное — это размер пикселя и всех связанных с ним характеристик (размер светочувствительной области пикселя, емкость потенциальной ямы, квантовая эффективность).

Если говорить формально, так и есть. Я даже выделю эти слова, чтобы они громче прозвучали:

Размер матрицы сам по себе не оказывает никакого влияния на качество фотографий!

Я понимаю, что эти слова «противоречат» опыту миллионов фотографов. Я сам прекрасно помню, как сменил свою кропнутую зеркалку на полнокадровый фотоаппарат (Canon EOS 5D Mark 2). Разница была просто колоссальной! Камера лучше справлялась при недостаточном освещении, да и с художественной точки зрения снимки выглядели намного интереснее.

Именно из-за личного опыта миллионов фотографов в сети и появились такие заблуждения, как:

• Более крупная матрица сильнее размывает фон на снимках
• Более крупная матрица уменьшает количество шума на снимках и позволяет снимать при худших условиях освещения
• Более крупная матрица добавляет глубину и объем в кадр

А теперь подумайте. Вот перед вами два человека: один с пустыми руками, а второй с большой сумкой. Кто из них сможет унести, скажем, больше конфет? Естественно, всё зависит от того, сколько конфет вообще имеется в наличии. Если вы дадите каждому по две конфеты, ни размер сумки, ни ее наличие не сыграют никакой роли.

Ровно то же и с матрицами. Совершенно не важно, какого размера матрица, если в объективы двух камер залетает одинаковое количество фотонов. Даже если вы каким-то образом сможете заменить маленькую матрицу смартфона с диагональю 7 мм, на огромную матрицу с диагональю 70 мм, ничего не изменится. Ни количество шума, ни размытие заднего плана, ни светочувствительность. Так как на обе матрицы будет попадать идентичное количество фотонов.

Но почему же опыт говорит об обратном? Многие люди просто путают причину и следствие. Всё дело в диаметре отверстия, через которое свет проникает внутрь камеры. Это и есть важнейший параметр любой камеры смартфона. Именно так просто:

Чем больше диаметр отверстия в камере, тем лучше ее характеристики (светочувствительность, соотношение сигнал/шум, глубина резкости)

А размер матрицы — это лишь следствие. Вот смотрите. Предположим, что у нас есть смартфон с маленькой матрицей и крохотным диаметром входного зрачка объектива (отверстия, через которое свет попадает в камеру):

Что произойдет, если мы просто заменим маленькую матрицу на более крупную? На самом деле — ничего:

Мы будем получать фотографии с огромными черными рамками вокруг, так как линза проецирует такое же пятно света, как и раньше. Если мы хотим полностью задействовать весь сенсор, не меняя при этом угла обзора, нам нужно увеличить фокусное расстояние объектива, то есть, отодвинуть линзы подальше от сенсора:

Теперь фотоны падают на весь сенсор, а так как он гораздо крупнее, то и фотонов ловит больше. Верно? Нет, конечно.

Свет теперь покрывает весь сенсор, но интенсивность этого света упала (на картинке желтый цвет стал менее насыщенным), то есть, теперь на каждый условный квадратный миллиметр попадает меньше фотонов, чем раньше, так как нам пришлось заполнить тем же количеством фотонов большую площадь матрицы. Общее количество фотонов не возросло, так как диаметр отверстия остался прежним.

Это как фонарик: чем более узконаправленно он светит, тем ярче пятно света (выше интенсивность света).

Выходит, мы заменили маленький сенсор на большой, поставили другой объектив с более длинным фокусным расстоянием, но это никак не повлияло на качество снимков. Хотя кое-что уже изменилось в дизайне смартфона!

Так как нам пришлось увеличить фокусное расстояние, то есть, отодвинуть линзы подальше от сенсора, теперь объектив заметно выступает над корпусом. Вспомните Galaxy Note 20 Ultra:

Чтобы от всей проделанной нами работы был какой-то смысл, единственное, что еще остается сделать — это увеличить диаметр отверстия объектива. Вот теперь все звезды сошлись! В камеру попадает больше фотонов, интенсивность света увеличивается, а так как матрица крупная, то и каждый пиксель этой матрицы более крупный (или работает в режиме объединения пикселей), что приводит к более высокому качеству изображения.

Другими словами, сам по себе размер матрицы ничего не решает. Но именно с более крупными матрицами используют и объективы с большим диаметром отверстия, чтобы обеспечить соразмерное количество света. А это уже меняет всё.

Можно сделать такой вывод: если в смартфоне используется более крупная матрица, тогда диаметр входного зрачка объектива, скорее всего, также крупнее. Кроме того, выступ камеры над корпусом может косвенно свидетельствовать о том, что внутри установлен более крупный сенсор и компании пришлось отодвигать линзы подальше, чтобы компенсировать размер.

Неправильные дюймы. Или как узнать реальный размер матрицы в смартфоне?

Но как посчитать размер матрицы? Что означают цифры 1/2.55″ или 1/1.33″ в характеристиках смартфонов? Возможно, для кого-то это прозвучит странно, но такая маркировка используется производителями лишь по одной банальной причине — скрыть реальный размер матрицы, запутав пользователя.

Когда мы видим число с двойным штрихом, то понимаем, что это дюймы. А в одном дюйме — 25.4 мм. Если бы диагональ матрицы составляла 2″, мы бы легко перевели это в миллиметры, умножив 2 на 25.4 и получив 50.8 мм.

Было бы логичным предположить, что, если диагональ матрицы указана, как 1/1.33″, то нужно просто единицу разделить на 1.33, а потом умножить на 25.4 и мы получим диагональ в миллиметрах: 1 / 1.33 * 25.4 = 19 мм. Но в реальности матрица 1/1.33″ имеет диагональ 12 мм! Как же так?

Все дело в том, что производители используют не обычные дюймы, а видиконовские. Лет 70 назад были популярными телевизионные камеры с электронно-лучевыми трубками внутри. Работали они примерно, как и ЭЛТ-телевизоры. В трубке была маленькая мишень — аналог матрицы современного смартфона, и в эту матрицу выстреливались электроны.

Так вот, если диаметр трубки равнялся одному дюйму, то размер самой мишени («матрицы») внутри составлял 2/3 от диаметра трубки. Соответственно, в дюймовой трубке (25.4 мм) находилась мишень с диагональю 16.93 мм (25.4*2/3).

«Это же просто отличный способ маркировать современные прямоугольные матрицы!» — подумали производители и стали вместо человеческих миллиметров и дюймов использовать видиконовские дюймы, о которых еще помнят 10 человек, заставших 50-е годы прошлого столетия.

Получается, чтобы примерно высчитать диагональ матрицы в миллиметрах, нужно умножать полученное значение не на 25.4 мм (обычный дюйм), а на 16.93 (видиконовский дюйм). Теперь можно легко посчитать размер упомянутой выше матрицы: 1 / 1.33 * 16.93 = 12.7 мм.

Повторю еще раз. Когда вы видите в характеристиках смартфона размер матрицы, скажем, 1/3.2″, нужно просто единицу разделить на 3.2, а затем полученное число умножить на 16.93. Вот вам и диагональ в привычных миллиметрах!

Делаем выводы

Качество камер современных смартфонов возросло очень сильно при том, что размеры одного пикселя продолжают уменьшаться. Так что, маленький пиксель — это не приговор.

Производители постоянно работают над тем, чтобы как можно больше фотонов попадало на один пиксель. Для этого улучшаются материалы цветных фильтров и линз, чтобы они блокировали как можно меньше света. Внутри одного пикселя сокращаются размеры транзисторов и увеличивается площадь светочувствительного элемента (того самого кусочка кремния).

Новые технологии изоляции пикселей (DTI и F-DTI) позволили значительно сократить их размеры без ущерба качеству, а ведь раньше это приводило к тому, что электроны из одного пикселя могли спокойно перескакивать на соседние:

Но, как вы заметили, с уменьшением пикселя, уменьшался и светочувствительный элемент, а значит и емкость его потенциальной ямы. Эту проблему решили другие технологии, в частности VTG (Vertical Transfer Gate), которая позволила размещать фотодиод внутри пикселя над другими компонентами, а не рядом с ними:

В итоге, пиксель всё уменьшался, а его светосила — увеличивалась.

И в этой связи довольно забавно читать, как многие люди на форумах с грустью вспоминают старые-добрые времена, когда пиксели в смартфонах еще были большими, а не то, что эти модные 0.8 мкм.

Но в действительности, современные маленькие пиксели захватывают больше света, чем старые крупные, так как технологии с тех пор очень сильно ушли вперед и матрицы стали намного качественнее именно с точки зрения физики. Не говоря уже об алгоритмах, нейросетях и машинном обучении.

20 лет назад все говорили, что невозможно нарушить законы физики и телефоны никогда не смогут заменить фотоаппарат. Но проблема оказалась не в законах физики, а в несовершенстве технологий. Физика со своими законами осталась там же, где и была 20 или 2000 лет назад, но технологии продолжают показывать экспоненциальный рост, о чем, собственно, у меня есть отдельная интересная статья…

Позвольте еще раз привести характеристики камеры случайно выбранного смартфона:

• Основная камера: 108 Мп, 1/1.33″, f/1.8, 26 мм, 0.8 мкм, PDAF, OIS

Теперь все эти цифры и буквы не должны вас пугать, так как мы подробно разобрались буквально с каждым параметром, за исключением PDAF и OIS. Но об этом поговорим в другой раз!